Технологический и научный прогресс подарил нам множество благ, без которых тяжело представить современный мир. Физика и математика помогли понять основоположные процессы и явления, которые впоследствии были использованы для создания различных технологий и устройств. А химия позволила найти или создать материалы, из чего вся эта радость могла бы быть изготовлена.

Проблема в том, что для многих веществ, используемых в промышленности, применима аналогия с монеткой. С одной стороны, они очень полезны, так как без них нельзя было бы произвести ту или иную деталь/устройство. С другой же стороны, многие химические соединения или их производные обладают рядом губительных для здоровья человека и для экологии свойств. От таких загрязнителей и контаминантов нужно избавляться, но сначала их нужно поймать.

Ученые из Лимерикского университета (Ирландия) разработали новую методику поимки бензола — крайне токсичного органического соединения. Что лежит в основе созданной учеными ловушки, как она работает, и насколько эффективно? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Многие из тех, кто громко заявляет о важности экологии, однозначно уверены во вреде пластика. Конечно, пластиковый мусор, на разложение которого уходят годы, является большой проблемой современного общества. Но, как бы мы не хотели от него избавиться, сделать это на 100% не выйдет, так как пластик пустил корни во многих аспектах нашего быта. Будучи в собственном доме, мы видим множество предметов, которые в разной доле содержат пластик. В таком случае возникает вполне ожидаемый вопрос — чем его заменить? Альтернативы есть, но они будут стоить дорого, особенно учитывая масштабность необходимого для их применения переформатирования производства в целом.

Другими словами, на данный момент многие материалы и вещества хоть и получили клеймо вредоносных, мы без них обойтись не можем. Остается только подстраиваться и бороться с последствиями их вредоносной активности.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые борются с бензолом. Это органическое химическое соединение (C₆H₆), являющееся простейшим ароматическим углеводородом. Бензол широко применяется в промышленности в качестве исходного сырья для производства лекарств, пластмасс, резины, красителей и т. д. Как видите, применений у этого вещества много. Однако бензол является токсичным контаминантом и канцерогеном. Это, конечно, не означает, что, будучи в составе какого-то предмета, он несет большую опасность, но, попадая в атмосферу, пользы от него точно ждать не стоит.

Бензол, как и другие летучие органические соединения (ЛОС или VOC от volatile organic compounds) могут нанести вред человеку или окружающей среде, даже если их концентрация будет незначительная. Современные методы удаления бензола из воздуха внутри помещений включают плазменное окисление, фотокаталитическое окисление и адсорбцию активированным углем.

Окисление успешно разлагает бензол, но в результате образуются другие загрязнители (CO, NO_x и O₃). Адсорбционное удаление ЛОС из загрязненного воздуха и промышленных сточных вод с помощью физисорбентов привлекательно из-за их относительно низкой стоимости. Однако нековалентные связывающие силы, которые обычно вызывают физическую сорбцию, означают, что связывание ЛОС имеет тенденцию быть слабым, особенно при низком парциальном давлении.

Роль спасителя в данной ситуации могут сыграть металлоорганические каркасы (MOF от metal–organic framework, металл-органические каркасные структуры — класс гибридных материалов, решеточная структура которых состоит из ионов или малых кластеров металлов, связанных органическими лигандами), так как они могут иметь большую площадь поверхности и настраиваемую структуру, что помогает им лучше захватывать и расщеплять газы.

Сравнительный анализ показал, что некоторые MOF превосходят многие современные сорбенты (например, активированный уголь и цеолиты) в рамках поглощения бензола. К примеру, поглощение бензола с помощью MOF-177 составляет 16.8 ммоль/г при 293 К и относительном давлении (P/P0 = 1). У графитированного биоуглерода этот показатель равен 5.8 ммоль/г, а у AC9 — 5.6 ммоль/г.

Несмотря на то, что у MOF есть очевидный потенциал для улавливания ЛОС, ароматические ЛОС, такие как бензол, имеют тенденцию образовывать слабые электростатические, водородные или координационные взаимодействия с MOF, что приводит к плохой эффективности разделения. Другая проблема, связанная с MOF, заключается в том, что они не отличаются достаточной термической и гидролитической стабильностью. Не говоря уже о влажности, которая может еще больше снизить эффективность сорбции с помощью MOF.

Ученые нашли решение этих проблем, разработав новый класс стабильных MOF адсорбентов, основанных на инженерии кристаллов, которые эффективно удаляют бензол из воздуха даже на уровне частей на миллион. Эти металл-дипиразолатные каркасы, обозначенные здесь как BUT-53–BUT-58 (BUT от Beijing University of Technology), построены из ионов Co²⁺ или Zn²⁺ и дитопических пиразолатных (дипиразолатных) лигандов и имеют сходные каркасные структуры, но разные размеры пор и химический состав.